INVESTIGATION OF WETTABILITY AND REACTIVITY IN CARBONATE ROCKS FOR SUBSURFACE GAS STORAGE APPLICATIONS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis (Rayhanul Islam Fahim).pdf Restricted to Repository staff only until 16 June 2026. Download (4MB)

Arabic Abstract

تتحكم قابلية البلل في توزيع السوائل، واحتجازها الأنبوبي، وحقنها في تكوينات الكربونات، مما يؤدي دورًا محوريًا في تصميم ونجاح تخزين الغاز تحت السطح في الخزانات المستنفدة وطبقات المياه الجوفية المالحة العميقة. تقدم هذه الرسالة بحثًا مختبرياً شاملاً في تأثيرات السوائل العضوية وغير العضوية على صخور الكربونات، بهدف تحسين التخزين تحت السطحي لثاني أكسيد الكربون، والهيدروجين، والنيتروجين. استُخدمت طريقة منحنى الضغط الأنبوبي لتقييم تغير قابلية البلل الناتج عن ستة مركبات عضوية (ثلاثة أحماض كربوكسيلية وثلاثة كلورو سيلان) بتركيز 0.028 مولار في التولوين، وعن طريق التعرض للمياه منزوعة الأيونات ومياه الخليج العربي. تم تأكيد النتائج باستخدام جهاز متخصص من خلال عمل تحليل امتزاز المواد العضوية على السطح، وخاصةً للجزيئات طويلة السلسلة مثل حمض الليغنوسيريك والكلوروسيلان، إلا أن منحنيات الضغط الأنبوبي لم تكشف عن أي تغير يُذكر في قابلية البلل، باستثناء زيادة طفيفة في ضغط الإزاحة لحمض الليغنوسيريك. تتناقض هذه النتيجة مع الدراسات القائمة على زاوية التلامس، والتي تشير إلى أن هذا الامتزاز يجب أن يُحفز انعكاس قابلية البلل. وبالمثل أشارت قياسات جهد زيتا إلى أن المياه منزوعة الأيونات زادت من الشحنة السطحية السالبة (مما يعزز رطوبة الماء) بينما أشارت قياسات جهد زيتا إلى أن مياه الخليج العربي ضغطت الطبقة الكهربائية المزدوجة بسبب امتزاز المركبات الأيونية الموجبة ذات العناصر المتعددة التكافؤ. (. ومع ذلك، تناقضت منحنيات الضغط الأنبوبي مرة أخرى مع نتائج زاوية التلامس، مما يُظهر أن مياه البحر تتطلب ضغط إزاحة أعلى من المياه منزوعة الأيونات في مجموعة منفصلة من التجارب، أُجريت اختبارات غمرالعينات باستخدام مياه البحر المُكربنة لتقييم آثارها الجيوكيميائية والميكانيكية في ظل ظروف تُمثل طبقات المياه الجوفية المالحة العميقة وخزانات الهيدروكربون المُستنفدة. كشفت هذه التجارب عن زيادة في ذوبان المعادن، وتكوين ثقوب دودية، وإضعاف ميكانيكي لمصفوفة الكربونات، مما يؤكد القدرة التفاعلية للمحاليل الملحية المُكربنة في البيئات الجوفية. وبشكل عام، تُسلط الدراسة الضوء على طبيعة تفسير قابلية البلل المعتمدة على المنهجية، وأهمية التحقق متعدد المقاييس، والدور الحاسم لتفاعلات السوائل والصخور في تحديد مدى ملاءمة خزانات الكربونات لتخزين الغاز بشكل آمن وفعال.

English Abstract

Wettability governs fluid distribution, capillary trapping, and injectivity in carbonate formations, playing a central role in the design and success of subsurface gas storage in depleted reservoirs and deep saline aquifers. This thesis presents a comprehensive experimental investigation into the effects of both organic and inorganic fluids on carbonate rocks, aimed at optimizing subsurface storage of CO2, H2, and N2. A consistent capillary pressure curve method was used to evaluate wettability alteration induced by six organic compounds (three carboxylic acids and three chlorosilanes) at a concentration of 0.028 M in toluene, and by exposure to deionized (DI) water and Arabian Gulf seawater. TOF-SIMS analysis confirmed surface adsorption of organics—especially for long-chain molecules like lignoceric acid and chlorosilanes—yet capillary pressure curves revealed no significant wettability change, except a minor increase in displacement pressure for lignoceric acid. This outcome contradicts contact angle–based literature that suggests such adsorption should induce wettability reversal. Similarly, zeta potential measurements indicated that DI water increased the negative surface charge (enhancing water-wetness), while seawater compressed the electrical double layer due to multivalent cation adsorption. However, capillary pressure curves again contradicted contact angle trends, showing that seawater required higher displacement pressure than DI water. In a separate set of experiments, core flooding tests were performed using carbonated seawater to assess its mechanical impacts under conditions representative of deep saline aquifers and depleted hydrocarbon reservoirs. These experiments revealed enhanced mineral dissolution, wormhole formation, and mechanical weakening of the carbonate matrix, confirming the reactive potential of carbonated brines in subsurface environments. Overall, the study highlights the method-dependent nature of wettability interpretation, the importance of multi-scale validation, and the critical role of fluid-rock interactions in shaping the suitability of carbonate reservoirs for secure and efficient gas storage.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Petroleum Petroleum > Reservoir Engineering and Management Petroleum > Enhanced Oil Recovery
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Committee Advisor:	Alajmei, Shabeeb N.
Committee Members:	Al-Yaseri, Ahmed and Patil, Shirish
Depositing User:	RAYHANUL FAHIM (g202311890)
Date Deposited:	17 Jun 2025 05:55
Last Modified:	17 Jun 2025 05:55
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143534